冲击击穿电压下空气的击穿

冲击击穿电压下空气的击穿

一、标准波形

作用时间短暂的电压称为冲击电压，在冲击电压作用下空气间的击穿具有新的特性。

雷电在电力系统中造成的过电压是一种冲击电压，当雷击设备时能造成高的电压，这是电力系统发生事故的重要因素。雷电冲击电压波的标准波形，如图1-9所示。规定标准波形，可使所得结果互相比较。冲击波波形，可由波头长度τ₁及波长τ₂加以确定。由于实验室中获得的冲击电压的波头起始部分及幅值部分比较平坦，故在示波图上不易确定原点及幅值的位置。因此，波头的确定采用了等值的斜角波头。国标GB 311.1-2012中规定雷电冲击标准放形的参数为τ₁=1.5±0.2μs，τ₂=40±4μs。现用的波形参数为1.2/50μs，此外，还应指出其极性(不接地电极相对地而言的极性)。标准波形通常可以用符号士1.2/50μs表示，如图1-9所示。波头的量测方法是取0.3U_m与0.9U_m的两点a、b，直线ab与U_m处的水平线和时间轴之交点的连线OM即为波前，波头时间τ₁是a、b两点时间间隔的1.67倍。波长时间则从O点量至波幅下降至0.5U_m时对应的时间处(τ₂)，为模仿线路上有放电点将波截断时的情况，我国还规定了截断时间τ_c=2～5μs的截波波形。

二、击穿时间

图1-10所示为冲击电压下空气间隙的击穿电压波形。间原从开始出现电压到击穿所需的时间称为击穿时间或全部放电时间。由三个部分组成：

(1)升压时间t₀为电压从零升到静态击穿电压U₀所需的时间。

(2)统计时延t_s为从电压达到U₀的瞬间起到间隙中形成第一个有效电子为止的时间。

(3)放电形成时延t_f为从形成第一个有效电子的瞬间起到间隙完成击穿为止的时间。

有效电子是指能引起一系列的游离过程，最后导致间隙被击穿的电子。在t₀以前，因电压小于U₀，间隙不可能发展击穿过程，所以不会形成有效电子。即使时间到达t₀，电压达到U₀，击穿过程也可能还没有开始，因为有效电子的出现具有偶然性，不一定在电压达到U₀时就立刻形成，所以间隙中出现有效电子的时间也可能要比t₀长。有效电子何时出现是一个随机事件，故统计时延t_s具有分散性。有效电子出现后，间隙中开始出现各种游离过程，放电开始发展，经放电形成时延t_f后使间隙击穿。因为影响放电发展过程的因素较多，所以t_f也具有分散性。

击穿时间t₀可表达为

t_b= t₀+ t_s+ t_f

t_s、t_f两个分量之和称为放电时延t₁，即

t₁= t_s+ t_f

短间隙(1cm以下)中，特别是电场比较均匀时，相比之下放电形成时延甚小，这时统计时延实际上就等于全部放电时延。山于每次放电统计时延大小不一，故通常讨论其平均值，称平均统计时延。

平均统计时延和电压大小、照射强度等很多因素有关。平均统计时延随间隙所加电压增加而减少。这是因为间隙中出现自由电子转变为有效电子的概率增加之故。用紫外线等高能射线照射间隙，使阴极释放更多电子，也能减少平均统计时延，利用球隙测量冲击电压时，有时需采用这一措施。在极不均匀电场内，由于电场局部增强，出现有效电子的概率增加，所以其平均统计时延较小，并且和外游离因素强度的关系也较小了。

在较长间隙中，放电时延主要决定于放电形成时延，在比较均匀的电场中，由于间隙中各点电场强度相差不大，放电发展速度快，所以放电形成时延较短。在极不均匀电场中则放电形成时延较长。显然，间隙上外施电压增加，放电形成时延也会减小。

三、雷电冲击50%击穿电压(U_50%)

由于完成击穿过程需要一定时间，所以间隙的冲击击穿特性和外施电压波形有关。通常都采用标准波形评定绝缘的冲击特性。

在持续电压作用下，当气体状态不变时，一定距离的间踪，其击穿电压具有确定的数值，当间隙上的电压升高达到击穿电压时，则间隙击穿。

为了知道在冲击电压下空气间隙的击穿电压，应使波形保持不变，逐渐升高电压的幅值，当电压幅值很低时，每次施加电压，间隙都不击穿，这或是由于电压太低，间隙中电场太弱，游离过程根本不能发展；或者游离过程已可发展起来，但所需的放电时间超过了外施电压作用时间(冲击波尾电压已很低不可能引起放电过程)，击穿仍不能实现。随外施电压增高，放电时延缩短。因此，当电压幅值增高到某一定值时，由于放电时延有分散性，对于较短的放电时延，击穿已有可能发生。即在多次施加电压时，击穿有时发生，有时不发生。随电压幅值继续升高，多次施加电压时，间隙击穿的百分比越来越增加。最后，当电压幅值超过某一值后，间隙在每次施加电压时都将发生击穿。从说明间隙绝缘耐受冲击电压的绝缘能力来看，当然希望求得刚好发生击穿时的电压，但这个电压值在实验中很难准确求得。所以工程上采用50%冲击击穿电压(U_50%)，即在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性。

1.均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压

在均匀电场和稍不均电场中，击穿电压分散性小，其雷电冲击50%击穿电压和静态击穿电压(即持续作用电压下击穿电压)材差很小，所以可用持续作用电压下的数据(直流、工频击穿电压值)。50%冲击击穿电压和持续作用电压下击穿电压之比称为冲击系数。均匀电场和稍不均匀电场中的冲击系数等于1。由于放电时延短，在50%击穿电压下，击穿通常发生在波头幅值附近

2.极不均匀电场中的击穿电压

在极不均匀电场中，由于放电时延较长，通常冲击系数大于1，击穿电压的分散性也大些，其标准偏差可取为3%，在50%击穿电压下，当间隙较长时，击穿通常发生在波尾。

标准波形下，棒一棒及棒一板空气间隙的雷电冲击50%，穿电乐U_50%和间隙距离d的关系见图1-11，从图中可见棒一板间隙有明显的极性效应，间隙距离更大时击穿电压和间隙距离呈直线关系。

四、伏秒特性

在工程上常用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。

伏秒特性用实验方法求取。即在间隙上施加一系列标准波形的冲击电压使间隙击穿，幅值出小到大逐渐升高，将每次作用在间隙上的电压最大值和电压作用时间用示波器测出来。然后以时间t为横轴，电压u为纵轴，记录于坐标纸上连成曲线，即得伏秒特性曲线。电压的取法是当冲击电压波幅值较低时，击穿发生在波尾部分，此时不取击穿时的电压值。而取在间隙上曾作用过的电压最大值，作为纵坐标。当冲击电压波幅值较高时，击穿发生在波首部分，这时加于间隙上的最大电压值就是击穿时的电压值，取这个电压值作为纵坐标。

当每级电压下只有一个放电时间时，则可绘得伏秒特性如图1-12所示，为一根曲线。但如上述，放电时间是具有分散性的，于是在每级电压下可得一系列放电时间，所以实际上伏秒特性是以上下包络线为界的一个带状区域，如图1-13所示。

伏秒特性曲线和间隙电场的均匀程度有关。对于不均匀电场，由于平均击穿电场强度较低，而且流注总是从强电场区向弱电场区发展，放电速度受到电场分布的影响，所以放电时延长，分散性亦大，伏秒特性在放电时间还相当大时，便随时间t之减少有明显的向上翘，对于均匀或稍不均匀电场则相反，由于击穿时平均场强较高，流注发展较快，放电时延较短，其伏秒特性较平坦，如图1-14所示。

伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义，若某间S₁的50%冲击击穿电压高于另一间隙S₂的数值，并且间隙S₁的伏秒特性始终位于间隙S₂之上，如图1-14所示，则在同一电压作用下，S₂都先于S₁击穿，于是若将两间隙并联，S₂就可对S₁起保护作用。但若如图1-15所示，间隙S₂及S₁的伏秒特性相交，则虽然在冲击电压幅值较低时，S₂能对S₁起保护作用，但在高幅值冲击电压作用时，S₂就不起保护作用了。也即，虽然S₁的50%冲击击穿电压高于S₂的数值，但在较高幅值的冲击波作用下，反而是S₁先击穿，这就与持续电压作用下的情况不同：由此可见，单是50% 冲击击穿电压不能充分说明间隙的冲击击穿特性。在考虑不同间隙的绝缘配合时，为更全面地反映间隙的冲击穿特性，就必须采用间隙的伏秒特性。保护设备的伏秒特性总希望平坦一些，即采用电场较均匀的结构。